Digital pre- and post-equalizers for in-car data transmission over plastic optical fibers

Abstract

Lately, a hot topic in the automobile industry is the development of the in-vehicle infotainment communication network based on the media oriented system transport (MOST) standard, where a cost-effective optical physical layer composed of light emitting diodes (LED), plastic optical fibers (POF) and positive-intrinsic-negative photodiodes (PIN PD) is used by the in-car network. The latest MOST150 standard has specified a transmission speed of 150 Mbit/s, while the next MOST generation is targeted at multi-Gbit/s. Obviously, the very limited bandwidth of the current physical layer will weigh on the future MOST generations. However, it is important to evaluate the potential of the current physical layer, for the reason that the car-manufacturers may continue using the low-cost and easily operable POFs and LEDs.

The objective of this dissertation is to increase the data-rate for the next MOST generation from 150 Mbit/s to 2 ∼ 3 Gbit/s, based upon the current MOST150 optical physical layer. The main emphasis lies in investigating electronic signal processing techniques to detect the multi-level pulse-amplitude modulated (MPAM) signal transmitted through the noisy dispersive POF-based optical channel. To be specific, four different transmission schemes are studied respectively: the post-equalization scheme using either linear or decision-feedback equalizer, the joint pre- and post-equalization scheme, the non-linear Tomlinson-Harashima precoding (THP) scheme, and the bidirectional decision feedback equalization (BiDFE) scheme. In the BiDFE scheme, a novel trellis-based BiDFE (TB-BiDFE) equalizer is proposed. Their performances are investigated by means of theoretical analysis and computer simulations. As will be shown, with the help of electronic equalizers and error-correcting code, the final bitrate is able to reach 3 Gbit/s over a 10 m standard step-index POF, despite the use of a low-cost LED transmitter.

In den letzten Jahren verstärkte sich der Trend im Automobilbereich, optische Netzwerke für Information, Kommunikation und Unterhaltung (Infotainment) im Fahrzeug einzusetzen. Eine erste weltweite Standardisierung erfolgte mit dem Media Oriented System Transport und einer Bitrate von 25 Mbit/s (MOST25). Kürzlich wurde das System MOST150 spezifiziert, das eine höhere Bitrate von 150 Mbit/s erlaubt. Beide Systeme setzen auf der Bit-Transportschicht (Physical Layer) kostengünstige optische Komponenten, wie lichtemittierende Dioden (LED), optische Plastikfasern (POF) und preisgünstige Photodioden ein. Durch die stürmischen Entwicklungen des Internets, des digitalen Fernsehens mit hoher Auflösung, der Navigation und dem vielfältigen Einsatz von Videokameras in Fahrzeugen wird der künftige Bitratenbedarf sehr stark ansteigen.

In der vorliegenden Dissertation werden daher Übertragungsverfahren untersucht, die eine um etwa Faktor 20 höhere Bitrate erlauben sollen, d.h. ca. 3 Gbit/s zur Verfügung stellen. Da die Systeme weiterhin kosteneffizient bleiben müssen, wird als harte Randbedingung formuliert, dass derselbe Physical Layer wie bei MOST150 Anwendung finden kann. Besonders die begrenzte Bandbreite der optischen Verbindung stellt für hohe Bitraten einen kritischen Erfolgsfaktor dar. Da spezielle optische Komponenten in den nächsten Jahren immer noch deutlich teurer sein werden als die Elektronik, wird in dieser Arbeit der Schwerpunkt auf elektronische Verfahren der Codierung, Modulation und Signalverarbeitung im Sender und Empfänger gelegt. Aus Gründen des Aufwands kommen statt komplexer Modulationsverfahren nur M-stufige Puls-Amplituden-Modulation (MPAM) in die engere Wahl. Darüber hinaus bilden sich vier verschiedene Verfahren heraus, die näher untersucht werden: Erstens, die digitale Vorentzerrung im Sender, bei der entweder ein linearer oder ein entscheidungsrückgekoppelter Entzerrer verwendet wird; zweitens, eine Kombination aus einem Vorentzerrer beim Sender und einem Entzerrer beim Empfänger; drittens, das nichtlineare Vorentzerrungs- und Codierverfahren nach Tomlinson-Harashima und viertens ein bidirektionaler entscheidungsrückgekoppelter Entzerrer (BiDFE) im Empfänger. Dabei wird auch ein neuartiges Trellis-basiertes BiDFE-Verfahren vorgeschlagen. Die Leistungsfähigkeit aller Varianten wird, wenn möglich analytisch, in jedem Fall auch durch Rechnersimulation ermittelt. Kanalmodelle werden durch Messungen im Labor bestätigt.

In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass durch effiziente Modulations-, Codierund Entzerrungsverfahren aufwandsgünstige elektronische Schaltungen möglich werden, um auf einem bestehenden Physical Layer einer Standard-Stufenindex-Plastikfaser von etwa 10 m Länge Bitraten bis ca. 3 Gbit/s zu erzielen.